レースは大荒れの展開になった。ニッサンはNMEの24号車がスタート直後に5位に浮上し23号車も一時3位を走行するなど健闘したが、4台ともエンジントラブルでリタイヤとなった。しかし組み付けミスによるオーバーヒート、夜間のオーバークールによるオイル希釈でメタルが焼き付く等対策可能なトラブルであることがはっきりしており、今後に期待を持たれた。トヨタは予選用の1基を除いて全く出力が上がらず、また足回りの改善も進まず、開始前から勝負を放棄せざるを得なかった。38号車が1時間でスピンしてサスペンションにダメージを受け、36号車が3時間でエンジントラブル、37号車が3時間40分でドライブシャフト折損によりクラッシュし、結局全車リタイヤであった。しかもトヨタはプレスリリースに状況を書く際に技術陣がドライブシャフトが折れて事故になったことを認めようとせず、さらに評判を落とした。アストンマーティンは19号車がスタート直後から電気系統のトラブルに見舞われ、2時間35分でリタイヤするまで治らなかった。18号車がブライアン・レッドマン運転時にユーノディエール辺りで左後サスペンション不調でスローダウンししばらくピットインを強いられたが、24時間で4,601.990kmを平均速度191.635km/hで走り、11位に入った。マツダは前年のマシンの熟成により安定した戦いぶりで、3台ともがサスペンショントラブルを起こしたものの軽症で大きく順位を落とすことはなかった。ジャガーは全車両が深刻なタイヤトラブルに悩まされた。1号車は6時15分に排気系とトランスミッションにトラブルがあり、9時30分にパトリック・タンベイがテルトルルージュでスピンしたものの、153週目から5時間ほどトップを確保するなどよく走った。り、2号車はユーノディエールで最高速度389km/hを記録したが、18時50分でショックアブソーバー不調、21時4分フロントボンネット交換、22時55分プライス・コブがテルトルルージュでコースアウト、5時18分アルナージュで発煙しヘッドガスケット破損によりリタイヤとなった。3号車は18時58分ユーノディエールでバルブ破損、公式には22時23分にリタイヤとなった。4号車はスタート後わずか8分で車輪交換、20時11分排気管部品交換、5時52分フォードシケインでミシェルがスピン、6時44分またしても排気管不調、8時に再びスピンとトラブルが続き、15位まで後退したが、その後ペースを上げ、最高速386km/hを記録するなど追い上げた。
初日は晴れた。メルセデス・ベンツは速く、3分15秒04で1位。2位も獲得し最前列を占めた。ノンターボにも関わらずジャガーが3位と4位につけ、去年よりも確実に速くなっていることを伺わせた。5位はヨーストポルシェ。ニッサンは初歩的なトラブルでタイムは上がらなかったが、NMEの24号車が3分24秒09、12位で日本車最高位となった。トヨタは調子が悪く、決勝までにまともな車に仕上がるかどうかという瀬戸際に立たされていた。宣伝部からエンジニアに速さをアピールするよう要請があり、予選用にブースト圧を上げたタイムアタック用エンジンを積んだTカーを持ち込み、直線だけぶっ飛ばしてタイムを出す手法でタイムを出すこととし、初日に走行が開始されて1時間40分でジェフ・リースがそれまでのトヨタの記録より10秒以上速い3分15秒51を記録、その段階で1位であった。この記録は認められず。記録としては37号車が3分25秒60で17位、36号車が3分28秒32で24位、38号車が3分28秒64で25位となり、国産勢では最下位となった。マツダは従野孝司が完全に修復された202号車で3分25秒45を記録し16位。
前年のル・マンの後、マツダとマツダスピードは予選で10秒以上のタイムアップを図ること、7位以内の入賞と具体的な目標を掲げ、ジャガーと同ペースで走るためエンジンとシャシの性能をそれぞれ15％向上させることで一致していた。エンジン担当の栗尾憲之はエアファンネルをエンジン回転による伸縮式としトルクピークを2箇所とすることに成功した。また鋼鉄製だったアペックスシールをセラミック製に置換、補機類を大幅に軽量化した。これらの改良により、改良前に550PSだったエンジンは燃費を向上させながら630PSとなった。トラブル対策、車体軽量化、空力性能の追求も行なわれた。前年モデルの改良型であるマツダ・767Bが3台出場した。
シード明けのプレーオフ初戦では近年のプレーオフで雌雄を争ってきたボルチモア・レイブンズと対戦した。試合は第1Qと第3Qの二度に渡って14点差をつけられる苦しい展開となるが、通常5人のOLを4人にするトリッキーなフォーメーションやWRジュリアン・エデルマンを使ったトリックプレーが功を奏し追いつくと、試合時間残り5分21秒でWRブランドン・ラフェルへのTDパスが決まり、この試合で初めてのリードを奪う。その後はレイブンズの攻撃をしのぎ切り、4年連続となるカンファレンス王座決定戦への進出を決めた。試合後、レイブンズのHCジョン・ハーボーはペイトリオッツが使用したフォーメーションを批判したが、これはルールに則ったものであり、他のチームも既に導入していたプレーであった。AFCチャンピオンシップゲームでは、長年のライバルであるコルツと地元ジレットスタジアムで対戦した。昨年のプレーオフ、そして今シーズンのレギュラーシーズンでもペイトリオッツは地上戦でコルツを圧倒しており、この試合でもRBリギャレット・ブラントがラン143ヤード・3TDを記録した。守備陣も3つのターンオーバーを奪うなどしてコルツ攻撃陣を封じ込め、45-7で圧勝をおさめた。ブレイディは史上最多となる6度目のカンファレンス制覇並びにスーパーボウル出場を決めた。この試合が後述する、ボールに関する空気圧不正問題、通称"Deflategate"（デフレートゲート、デフレート疑惑とも）であり、後に出場停止4日とドラフト権剥奪の処分を受ける事となる。第49回スーパーボウルでは、連覇を狙うシアトル・シーホークスと対戦した。空気圧問題が大きく取り沙汰され、試合前はHCベリチックと共にメディア対応に追われた。ブレイディは2度のインターセプトと10点のビハインドを乗り越え、自身通算4度目のスーパーボウル戴冠を果たした。チームは試合時間残り2分少々というところで28-24でリードを奪うも、シーホークスのWRジャーメイン・カースに過去2回のスーパーボウル敗戦を思い起こさせるような奇跡的なキャッチを許すなどして自陣1ヤードまで攻め込まれる。しかし最後は当時無名のドラフト外新人CBだったマルコム・バトラーが値千金のインターセプトを奪い、スーパーボウル史上に残る激戦に終止符を打った。この試合でブレイディは当時のスーパーボウル記録となる37回のパス成功を記録したほか、328ヤードと4つのTDを投じた。特に10点のビハンドを追う第4Qでは、パス15回中13回成功・124ヤード・2TD・QBレイティング140.7を記録する圧巻のパフォーマンスを見せ、爆音軍団の異名で知られるリーグ屈指のシーホークス守備陣を攻略した。この活躍が評価され、自身3度目のスーパーボウルMVPを獲得した。同大会の勝利回数・MVP受賞回数はQBジョー・モンタナに並ぶNFL史上最多タイとなった。なお、この年MVP受賞者にはシボレーのトラックが送られることになっていたが、ブレイディはこれをバトラーに譲っている。